Hüdroksülapatiit

Hüdroksüapatiit (Hap, HAp või HA) on kaltsiumapatiidi looduslikult esinev mineraalvorm näiteks inimeste luudes valemiga Ca5(PO4)3(OH), sageli kirjutatud Ca10(PO4)6(OH)2 tähistamaks, et kristallühikrakk koosneb kahest üksusest.See on kompleksse apatiidirühma hüdroksüülrühm. OH-iooni saab asendada fluoriidi või kloriidiga, tekitades fluorapatiiti või klorapatiiti. See kristalliseerub kuusnurkses kristallisüsteemis. Puhas hüdroksüapatiidi pulber on valge. Looduslikult esinevatel apatiitidel võib aga olla ka pruun, kollane või roheline värvus, mis on võrreldav hammaste fluoroosi värvimuutustega.

Kuni 50% mahust ja 70% massist inimese luust on hüdroksüapatiidi modifitseeritud vorm, mida tuntakse luu mineraalina.[7] Gaseeritud kaltsiumipuudulik hüdroksüapatiit on peamine mineraal, millest koosneb hambaemail ja dentiin. Hüdroksüapatiidi kristalle leidub ka patoloogilistes lupjumistes, näiteks rinnakasvajates,[8] aga ka käbinäärme (ja teistes ajustruktuurides) kaltsifikatsioonides, mida tuntakse corpora arenacea või "ajuliivana".[9]

Keemiline süntees

Hüdroksüapatiiti saab sünteesida mitme meetodi abil, nagu märg-keemiline sadestamine, biomimeetiline sadestamine, sool-geel-tee (märg-keemiline sadestamine) või elektrosadestamine.[10] Hüdroksüapatiidi nanokristalli suspensiooni saab valmistada märja keemilise sadestamise reaktsiooniga, järgides allolevat reaktsioonivõrrandit:[11]

10 Ca(OH)2 + 6 H3PO4 → Ca10(PO4)6(OH)2 + 18 H2O

Hüdroksüapatiidi sünteetilise paljundamise võimel on hindamatu kliiniline mõju, eriti hambaravis. Iga tehnika annab erinevate omadustega hüdroksüapatiidi kristalle, nagu suurus ja kuju.[12] Nendel variatsioonidel on märkimisväärne mõju ühendi bioloogilistele ja mehaanilistele omadustele ning seetõttu on nendel hüdroksüapatiidi toodetel erinev kliiniline kasutus.[13]

Kaltsiumipuudus hüdroksüapatiit

Kaltsiumipuuduliku (mittestöhhiomeetrilise) hüdroksüapatiidi Ca10-x(PO4)6-x(HPO4)x(OH)2-x (kus x on vahemikus 0 kuni 1) Ca/P suhe on vahemikus 1,67 kuni 1,5. Kaltsiumfosfaadi faaside arutamisel kasutatakse sageli Ca/P suhet.[14] Stöhhiomeetrilise apatiidi Ca10(PO4)6(OH)2 Ca/P suhe on 10:6, mida tavaliselt väljendatakse kui 1,67. Mittestöhhiomeetrilistel faasidel on hüdroksüapatiidi struktuur koos katioonide (Ca2+) ja anioonide (OH−) vabade töökohtadega. Stöhhiomeetrilises hüdroksüapatiidis ainult fosfaadi anioonide poolt hõivatud kohad on hõivatud fosfaadi või vesinikfosfaadiga, HPO

Bioloogiline funktsioon

Imetajad ja inimesed

Hüdroksülapatiit esineb luudes ja hammastes; luu koosneb peamiselt HA kristallidest, mis on segatud kollageenimaatriksisse – 65–70% luu massist on HA. Samamoodi moodustab HA 70–80% hammastes oleva dentiini ja emaili massist. Emailis moodustavad HA maatriksi kollageeni asemel amelogeniinid ja enameliinid.

Hüdroksüapatiidi ladestused liigeste ümber kõõlustes põhjustavad haigusseisundit kaltsiifiline tendiniit.

Hüdroksülapatiit on kaltsiumfosfaadist neerukivide koostisosa.

Hambaemaili remineraliseerimine

Hambaemaili remineraliseerimine hõlmab mineraalioonide taastoomist demineraliseeritud emaili.[20] Hüdroksüapatiit on hammaste emaili peamine mineraalkomponent.[21] Demineraliseerimise käigus eemaldatakse hüdroksüapatiidist kaltsiumi- ja fosforiioonid. Remineraliseerimise käigus sisestatud mineraalioonid taastavad hüdroksüapatiidi kristallide struktuuri.[21] Kui remineraliseerimisel, vee fluorimisel või fluoriidi sisaldava hambapasta kasutamisel esinevad fluoriidioonid, tekivad hüdroksüapatiidi kristallide asemel tugevamad ja happekindlamad fluorapatiidi kristallid.[22]

Mantis krevetid

Odontodactylus scyllarus'e (paabulinnu krevetid) kõrvitsad on valmistatud mineraali äärmiselt tihedast vormist, millel on suurem eritugevus; see on viinud selle võimaliku sünteesi ja inseneri kasutamise uurimiseni.[23] Nende daktüüllisanditel on suurepärane löögikindlus, kuna löögipiirkond koosneb peamiselt kristallilisest hüdroksüapatiidist, mis pakub märkimisväärset kõvadust. Löögikihi all olev perioodiline kiht, mis koosneb madalama kaltsiumi- ja fosforisisaldusega hüdroksüapatiidist (mille tulemuseks on palju väiksem moodul), pärsib pragude kasvu, sundides uusi pragusid suunda muutma. See perioodiline kiht vähendab ka mõlema kihi kaudu ülekantavat energiat suure di tõttu